李伟杰
基于智能物联网的电池组群管护系统
李伟杰
（北京国电光宇机电设备有限公司，北京 100068）
本文结合目前电力物联网技术的广泛融合应用，分析常规电池管理系统的不足，提出新一代基于智能物联网的蓄电池管护系统解决方案，并实际研制了从厂站端智能化边缘管理，到中心端全局管护的一整套电池组群管护系统。该系统兼顾厂站端检测的深入完整性和所辖区域监护的全面性，经近一年的稳定运行，取得了良好的社会经济效益。相比常规维护手段，该系统单站投入折合费用减少近20万元，对蓄电池管护系统的智能化、信息化建设和发展有现实意义。
物联网；
电池管护；
云计算；
智能诊断系统；
蓄电池
目前在电力系统、数据通信系统及新能源等多个领域，大容量蓄电池作为不间断应急电源、智能一体化电源系统，以及源网荷储微电网储能的重要设备，在不断扩大投入使用，其大量监测数据也呈现海量增长趋势。传统的蓄电池组管理系统因存在功能单一、检测误差大、监控范围有限及安装繁琐等弊端，对蓄电池的日常运管效果不够理想，甚至由于对蓄电池监护不到位，造成系统事故扩大。因此，技术方案与配置陈旧的蓄电池管理系统已不能满足当前蓄电池在电力、新能源、储能等领域大规模应用背景下的全面管护需求。传统蓄电池检测管理存在的技术瓶颈越来越明显，比如在多站点电池组集中管护时，对相关数据的存储、查询、提取、处理分析等操作变得越来越困难。因此，迫切需要探索采用新的技术方案与手段来提升原有电池管理系统水平，乃至达到深度且全面的智能管护水平。
智能物联网技术作为当前信息技术发展的前沿，在电力电网运行领域中的大数据存储、数据分析、数据挖掘、数据共享等方面已经得到深化应用，但在蓄电池监测管护领域，还未有相对成熟的应用研究[1-6]。
本文通过设计研发厂站端分布式智能采集单元、边缘智能控制在线核容检测单元，同时利用电力线载波通信（power line communication, PLC）技术、无线通信技术（WiFi、GPRS等）及消息队列遥测传输（massage queuing telemetry transport, MQTT）典型云边通信物联网通信协议等，将物联网技术应用于电池管理系统，建立一套专家型电池全寿命管理系统，以提高电池全面管护技术的智能化、信息化水平。
1.1 现有蓄电池管理系统特点
1）实时信息检测，包括电压、电流、温度[7]。
2）性能部分粗略估计，如通过当前电压粗估容量，在饱和浮充状态下，通过注入交流小信号，完成静态内阻值的检测。
3）简单管理控制，比如异常报警控制处理等。
4）系统本地化或局域化很强，只能本地查看电池信息。
5）智能化分析诊断水平有限。
1.2 传统蓄电池监测管理不足
1）功能性方面，常规情况下不具备内阻监测能力，目前少数站点通过注入交流小信号实现静态内阻检测，而通过大电流冲击放电检测动态内阻的应用很少，所以常规管理系统对大电流冲击放电的性能监测普遍缺失，降低了对冲击负荷潜在供电可靠性的把控。除此之外，常规系统不具备自动放电核容能力，只能依靠额外移动式放电仪的配合进行定期放电核容测试，需要投入大量人力物力财力，效率低下，且不具有自动活化与均衡功能，缺少对蓄电池健康度的修复能力和对蓄电池性能趋势的智能诊断预判能力，不能在处置电池方面给予运维人员及时有效的指导[8-9]。
2）安全可靠运行方面，由于蓄电池单本数量大、分布式检测二次线繁多，增加了系统潜在故障点，同时增大了整体受干扰概率，可能造成蓄电池误报、漏报等情况发生。
3）应用形式方面，常规管控系统多是就地监控，属于小型局域监控，监控受到地域限制，无法随时随地掌控蓄电池的运行状态。
4）系统性能方面，常规数据收集、处理、储存等环节都存在性能瓶颈，对全域设备的统一管护能力有限，不能实现对少量数据的挖掘及设备运行趋势的预判。
5）一般的分布式采集结构比集中或分散式进步很多，但在安装维护性能方面还有优化空间，在分布式结构基础上，结合PLC技术，以及云计算技术研发的新型云平台电池管理系统，最大化解决以上不足。表1为三种电池管理系统架构对比。
表1 三种电池管理系统架构对比
2.1 物联网体系架构
目前被广泛采用的物联网体系架构有若干种，此处列举最常用的几种。
1）物联网三层架构
物联网三层架构由底层的感知层、中间的网络层及上层的业务应用层组成[10]。感知层通过智能传感器、图形识别码、短距射频装置等完成基础设备数据采集，并通过中间件等组成设备感知核心层，具有功耗低、微型化等特点。网络层主要利用无线4G或5G网络、北斗卫星通信网络及光纤网络等对集中的数据进行编码、加密和传输，目前相对成熟的通信基站网络是物联网的重要基础技术条件，是技术一致性最高且最成熟的一层。业务应用层具有丰富的应用生态，也是物联网建设的根本目的，使物联网技术与业务应用相融合，打破业务信息孤岛，加强数据的开发利用，显著提升生产力。物联网三层架构如图1所示。
图1 物联网三层架构
2）介导网关边缘架构
介导网关边缘架构是另一种实现方式，管理网关是连接广域网和局域网的枢纽传输介质，底层传感器、智能采集器、集中器等组网形成局域网，链接至管理网关，管理网关另一端外接广域网，从而起到边缘与广域网隔离作用[11]。介导网关边缘架构如图2所示。
图2 介导网关边缘架构
3）其他典型结构
物联网框架还有“边-云-端”架构。“边-云-端”设计架构与介导网关边缘架构设计的差异为：设备装置等可直连寻址，而不是用边缘管理网关分离其他边缘设备[12]。
2.2 物联网的典型特征
1）数据强关联
物联网的关键特征之一是数据的智能处理，物联网组件中会产生海量的不同特征的数据，经过中心或边缘处理后，这些数据可用于状态辨识、运行异常诊断、操作控制等。目前，物联网系统设备多利用数据语义建模，以更直观实用地解析数据内在含义，促进设备的互操作性。
2）强通信能力
为了使设备能够达到广泛交互能力，物联网系统中融入了别类广泛的通信接口与协议，基本通信方式并不局限于某一种或某几种方式，而是由实际使用场景来决定最优配置方案。目前，物联网最主要的技术目标之一就是实现无障碍跨域数据交互，使业务数据深度整合，显著提升生产力[13]。
3）高信息安全要求
物联网中成千上万的智能装置数据互通、信息共享，要求系统在数据传输运转过程中有极高水平的安全技术措施，这也是系统能被广泛接纳和使用的前提技术条件。例如，采用加密认证等技术手段保证数据传输安全性，采用安全管理网关等防火墙进行管理域内的攻击防护等。
3.1 蓄电池物联网全面管护系统架构
基于智能物联网的蓄电池全面管护系统架构如图3所示，整个系统分为以下几个层次。
厂站终端设备层：包括大电流放电动态内阻检测单元、剩余容量检测单元、单节电压、温度采集传感器等。本地控制通信层：电力载波通信、485串口通信、工控机及现场监控显示、IEC 61850、MQTT协议远程通信等，以及云端主站弹性服务器（管理服务器、业务服务器、存储服务器、智能管理网关等）。业务应用层：PC客户端，手持式移动客户端。
厂站终端是一个性能优良、功能全面的边缘端智能系统，是在常规直流电源系统加设电池管理部分。蓄电池管理厂站边缘端主原理如图4所示。
边缘端研制所需要的关键技术有：
1）负载母线与蓄电池组间加设能量单向逆止VD1、VD2、投切器件2ZK～5ZK、可编程控制器等逻辑电路，实现智能放电旁路，实现在线式核容放电测试，放电过程中蓄电池不脱离母线，提升了核容过程中负载的稳定可靠运行水平。
2）系统放电负载FDQ采用具有能量双向流动能力的双向有源逆变单元，放电负载双向逆变主电路如图5所示，电池组泄放的能量回馈到电网，使能量回收达到绿色放电，且没有常规热电阻放电产生大量热量，避免对周围设备运行造成不良影响。
3）双向变流单元专设物联能力的北向接口，结合工控模块活化算法，再通过RS 485总线协控，完成大电流脉冲振荡，对存在硫化的蓄电池起到容量恢复作用。
4）每节电池上加装智能采集传感器，实现异步轮询持续静态内阻检测。同时分布式智能传感器通过电力载波通信接口，实现免专用通信线的定期同步采集，实现小电流静态内阻测试与大电流放电内阻测试整合。基于PLC的静态内阻分布式检测如图6所示。
图3 基于智能物联网的蓄电池全面管护系统架构
图4 蓄电池管理厂站边缘端主原理
5）中央监控器部分完成整个厂站端的综合协调处理及边缘计算、向中心平台端通信等功能，具备以太网、4G、5G等数据上送能力。
中心平台端云服务器是一个泛称，根据用途划分成业务服务器、数据存储服务器、管理网关服务器等。云服务器一般由电信或服务器运营厂商提供设备，用户还可自己配置环境，安装组件，架设服务，可以安装所需的任何软件，扩展能力非常强，而且速度快，效率高[14-15]。该应用可有效解决多站点蓄电池运行大数据监测处理存储等问题。另外，通过移动智能终端设备上的应用程序，可不受时间不受地域限制地自由掌控所辖区域内所有电池的运行状态。
平台服务运行为Linux系统环境，开发框架基于java+mysql+tomcat+nginx+mqtt，并且内置工控Modbus RTU、Modbus TCP等主流协议，以及IEC 61850标注协议等。中心平台结合多协议数据传输单元（data transfer unit, DTU）透传模块，可将除自有边缘终端外的其他厂站智能终端包罗接入，物联平台具备了一定的通用性。平台服务除了可以手机H5访问外，还具备微信公众号接入接口，也可以通过短信、邮件及电话语音等进行自动通知服务。
图5 放电负载双向逆变主电路
图6 基于PLC的静态内阻分布式检测
平台管理员在管理后台向各层级运管人员指派操作权限，操作员通过浏览器可以登录相关权限下的界面进行运管操作，通过展现丰富直观的可视化数据界面实现电池全面与全域管护，基于B/S架构的客户端访问如图7所示。
图7 基于B/S架构的客户端访问
3.2 智能物联网平台电池管护运行测试
从2022年1月开始，利用物联网管护系统平台对两组500A∙h电池组进行监护实验，以104节为一组，变电站蓄电池组运行现场如图8所示。由现场实拍图可知，分布式检测装置安装简明，免去了常规的通信线，减少了潜在故障点和干扰可能性，整体设备也显得更简洁美观。在几个月时间内进行了若干次动态内阻测试、核容及诊断等工作。
图8 变电站蓄电池组运行现场
设定0.110电流作为核容恒流放电电流，总终止电压192V，单体电压1.85V，放电时间10h。系统核容检测参数设定如图9所示。
图9 系统核容检测参数设定
实际以50A（10小时率10）放电，共放出容量为500A∙h，蓄电池组终止电压195V，单体电压均值1.89V，最小单体电压1.86V，均在设定阈值之上，电池健康度达到100%。蓄电池组10小时率10放电核容曲线如图10所示。
图10 蓄电池组10小时率I10放电核容曲线
蓄电池组浮充状态下剩余容量为100%时，放电10h后，诊断的动态内阻值如图11所示，动态内阻均值为2.497mW，极大值为3.326mW，极小值为2.182mW，极大值与极小值间的动态内阻差异较大。考虑到外部环境及活化程度造成的测量误差，进行三次以上反复测量，加权取平均，锁定内阻确实异常的电池，并进行后续的重点监测管理，然后系统根据电压内阻运行趋势对蓄电池是否存在硫化、失水等问题作出智能诊断并给出维护建议，或自动启动执行活化修复等措施。
图11 蓄电池组各节电池动态内阻值
相对于传统管理维护模式，基于物联网的蓄电池管护系统的研制与应用，不仅减少了人工成本，还提高了劳动效率，减少了故障率，避免了潜在故障可能产生的重大损失。
根据电力蓄电池维护规程要求，站内新投运蓄电池需要进行一次100%全容量核容试验，投运2年后需每年进行一次充放电试验。目前，以每组蓄电池做一次充放电试验需要配备2～3人、驻守2～3天的维护模式，考虑供电公司本部所辖变电站数量，公司每年可节省近万元人力成本。新一代电池管护系统在线核容能量反馈电网，节约蓄电池检测仪表使用维护费近万元。蓄电池常规人工维护费用明细见表2。
表2 蓄电池常规人工维护费用明细（估算）
注：以上费用以330～500kV变电站费用投入估算，仅供参考。
本文对基于智能物联网技术的蓄电池全面管护系统进行研究并实际应用，在该运维管护领域取得了理想应用效果，系统具有以下优点：采用简明施工的电力载波通信方式，完成分布式智能采集与检测，具备全在线核容及动态内阻测试功能，且测试过程绿色放电节能环保；
具备定期自动活化能力与远程控制活化能力；
系统深度检测与全面检测相结合，就地智能自动控制与远程监护相结合；
蓄电池运管人员可以随时随地全面全域自由掌控所辖蓄电池运行情况。基于物联网技术框架下的大数据处理，为系统整体安全可靠运行提供了有力技术支撑，并取得了较明显的经济效益。该系统可更直接落地应用于输变配电、供用电等电力系统各个环节的蓄电池管理领域，以及风光储充等一体化新兴微电网系统中，实现经济、高效、绿色节能的蓄电池全寿命周期管护。
[1] 李伟杰, 魏合民, 李志波, 等. 通信及调度机房多组并联蓄电池组实现在线逐组核容关键技术方案[J]. 中国新技术新产品, 2017(4): 10-12.
[2] 电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程: DL/T724—2021[S]. 北京: 中国电力出版社, 2021.
[3] 李伟杰, 魏合宇, 魏合民. 一种节能式智能核对全在线直流充放电系统: CN106655488A[P]. 北京, 2017-05-10.
[4] 王志华, 陈基顺, 王建勇, 等. 变电站蓄电池运行维护关键技术难点分析[J]. 广东电力, 2017, 30(8): 8-13.
[5] 毕伟. 基于能量云管理平台的分布式储能系统技术应用研究[J]. 电气技术, 2018, 19(4): 67-71.
[6] 王洪, 卢志涛, 王少博, 等. 基于人工智能的电网用蓄电池健康度评估[J]. 广东电力, 2019, 32(4): 79- 84.
[7] 向小民, 周百鸣, 徐星渺. 蓄电池剩余容量在线监测的探讨[J]. 电源技术, 2009, 33(3): 213-216.
[8] 赵国龙, 孙艳, 项明明, 等. 基于物联网的变电站蓄电池监测系统设计与实现[J]. 电力大数据, 2019, 22(3): 77-80.
[9] 苏良勇, 陈磊, 袁麟, 等. 蓄电池在线内阻测试技术研究[J]. 微电子学, 2020, 50(3): 444-449.
[10] 杨挺, 翟峰, 赵英杰, 等. 泛在电力物联网释义与研究展望[J]. 电力系统自动化, 2019, 43(13): 9-20.
[11] 张继元, 孙建旸, 王卫宏. 基于储能云架构的能源工业互联网平台研究与应用[J]. 电气技术, 2022, 23(8): 68-74.
[12] 肖勇, 钱斌, 蔡梓文, 等. 电力物联网终端非法无线通信链路检测方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(11): 2319-2327.
[13] 邬贺铨. 物联网技术与应用的新进展[J]. 物联网学报, 2017, 1(1): 1-6.
[14] 谭方勇, 王昂, 刘子宁. 基于ZigBee与MQTT的物联网网关通信框架的设计与实现[J]. 软件工程, 2017, 20(4): 43-45.
[15] 黄彦钦, 余浩, 尹钧毅, 等. 电力物联网数据传输方案: 现状与基于5G技术的展望[J]. 电工技术学报, 2021, 36(17): 3581-3593.
Battery group management and maintenance system based on intelligent internet of things
LI Weijie
(Beijing Guodian Guangyu Electrical Equipment Co., Ltd, Beijing 100068)
By analyzing the shortcomings of conventional battery management system and studying the widely integrated application of the electric internet of things, a new generation of battery management system solution based on the intelligent internet of things is proposed in this paper, and a complete set of battery group management and maintenance system from intelligent edge management at the plant terminal to global management and maintenance at the central station is developed. The system takes into account the in-depth integrity of the station end detection, as well as the comprehensiveness of the area under its jurisdiction. After nearly a year of stable operation, it has achieved good social and economic benefits. Compared with conventional maintenance methods, the cost of a single station is reduced by nearly 200 000 yuan. It is of practical significance for the construction and development of intelligent and information-based battery management system (BMS).
internet of things; battery management and maintenance; cloud computing; intelligent diagnosis system; battery
2022-10-09
2022-10-28
李伟杰（1987—），男，河北保定人，工程师，研究方向为厂站交直流一体化电源及其智能网络化开发应用。
猜你喜欢内阻网关管护2022年将农村公路管护领域就业岗位稳定在80万左右今日农业(2022年16期)2022-11-09寒冷天气 咋管护羔羊今日农业(2021年2期)2021-03-19Effect of Xuebijing injection on hematopoietic homeostasis of LPS induced sepsis in miceTMR Modern Herbal Medicine(2019年4期)2019-11-01入秋养羊管护 不同于春夏季今日农业(2019年16期)2019-01-03森林管护中GPS技术的应用现代园艺(2017年11期)2017-06-28“测定电池的电动势和内阻”复习课之八问中学物理·高中(2016年12期)2017-04-22伏安法测电源电动势和内阻的测量值与真实值中学物理·高中(2016年2期)2016-05-26超级电容器内阻测试方法研究电源技术(2016年9期)2016-02-27LTE Small Cell网关及虚拟网关技术研究移动通信(2015年18期)2015-08-24应对气候变化需要打通“网关”太阳能(2015年7期)2015-04-12